Iskanje po katalogu digitalne knjižnice

Opis: Data transmission sent through wireless channel is usually affected by background noise, multipath fading and interference which cause data errors. Influence of such disturbances is the most commonly expressed in a form of error probability statistics. Effects of these disturbances on IEEE 802.15.4 wireless transmissions are previously studied, except influence of co-channel interference (CCI) which originates from collision between IEEE 802.15.4 devices which perform simultaneous radio transmission. Our thesis puts forward the assumption that it is possible to derive more accurate analytical error probability model for higher data level error probability parameters without the idealization of PN spreading sequences. Additionally, thesis is that is possible to derive an accurate analytical error probability model in the case of CCI influenced by background noise by consideration of constellation diagram. IEEE 802.15.4 standard uses CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) channel access mechanism to prevent collisions between devices, but this mechanism doesn't provide protection from hidden node problem which is primary source of co-channel interference. Using Monte Carlo simulations we determined frequency of hidden node collisions, which shown that co-channel interference frequently occur in parts of the network with high traffic load. Some prior works in this field tend to idealize these non-ideal spreading sequences in order to simplify calculations for error probability parameters. Our doctor thesis presents analytical model of data level error probability parameters (symbol, bit and packet) for IEEE 802.15.4, which uses original non-ideal spreading sequences without their idealization. Proposed error probability model consists of mutually dependent chip, symbol, bit and packet error probability models. Derived error probability models are linked together, so each of error probability parameters can be determined using error probability parameter from the previous stage. Error probability model for IEEE 802.15.4 wireless communication could be used in network simulation tools in order to accurately simulate energy efficient medium access protocols in realistic scenarios. Presented theoretical results are tested by independent numerical simulation of IEEE 802.15.4 transmission according to Monte Carlo method. Simulation results shows that derived models for error probability parameters were matched by two simulation scenarios in background noise, for multipath fading and co-channel interface, respectively Furthermore, the accuracy of derived mathematical models was tested in real-world experiment using IEEE 802.15.4 compliant wireless transceivers for creating co-channel interference. Packets were received by software defined radio platform, which enabled realization of coherent receiver in which all error probability statistics could be collected. The results of the experiment show consistency with proposed analytical error probability models, but some deviations are caused by poor preamble synchronization under low SNR (Signal to Noise Ratio) value. The thesis was proved with Monte Carlo simulations of the physical level of the IEEE 802.15.4 communication and experimental measurements on a real physical communication system.
Ključne besede: IEEE 802.15.4 standard, error probability model, co-channel interference, Rician fading channel, additive white Gaussian noise, wireless transmission, wireless sensor networks, numerical simulations, software defined radio
Objavljeno v DKUM: 14.10.2016; Ogledov: 2502; Prenosov: 140
Celotno besedilo (8,20 MB)

Opis: V magistrski nalogi opisujemo energetsko učinkovite metode dostopa do prenosnega medija (MAC), ki se uporabljajo v brezži čnim senzorskih omrežjih (BSO). Brezžična senzorska omrežja so sestavljena običajno iz velikega število senzorjev, ki s komunikacijskega vidika predstavljajo vozlišča. BSO se uporabljajo v različnih aplikacijah daljinskega upravljanja in zaznavanje, kot so na primer: varovanje in hišna avtomatizacija, okoljski nazor in nadzor v zdravstveni oskrbi, vojaška uporaba, itd. Pogosto so, na določenem območju, razporejeni brez vnaprejšnjega načrtovanja. V takšnih omrežjih potrebujemo mehanizme, ki omogočajo samoorganizacijo, za komunikacijo z centralnim vozliščem, ki predstavlja podatkovni ponor. Eden od glavnih ciljev pri snovanju brezžičnih senzorskih omrežij je zmanjšanje skupne porabe energije, da bi omogočili nekaj mesecev ali celo let avtonomnega delovanja pri baterijskem napajanju. Poraba energije v BSO je odvisna od različnih dejavnikov, kot so: lastna poraba procesorja in senzorja, oddajna moč, količine prometa, itd. Porabo električne energije bomo lahko omejimo s skrbno izbiro komponent, z nižanjem oddajne moči in z ustreznimi komunikacijskim protokoli, ki omogočajo uporabo dolgih obdobij nedejavnosti, ko so naprave v načinu spanja. Dosedanje raziskave na tem področju so bile usmerjene k možnostim posodobitev protokolov MAC plasti v IEEE 802.15.4 WPAN (Wireless Personal Area Networks). Protokoli dostopa do prenosnega medija, uporabljenih v tovrstnih omrežjih, temeljijo na pristopu mediju z izogibanjem trčenj CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance). Glavna pomanjkljivost tega protokola je nesposobnost za spopadanje s problemom skritih vozlišč, ki pa je zelo pogost v vseh tipih brezžičnih omrežij. Trki paketov povzročajo nepotrebne izgube energije in degradacija zmogljivosti omrežij. Z uporabo RTS/CTS usklajevalnih mehanizmov, znanih iz IEEE 802.11 omrežij, je mogoče problem skritih vozlišč v celoti odpraviti. Mehanizem te vrste dostopa do medija zagotovi posredno sinhronizacijo med vozlišči, kar lahko zelo pove ča učinkovit uporabe prenosnega medija. V prvem delu magistrske naloge smo raziskali količino bitnih napak v paketih, v odvisnosti od interferenčnih paketov. Obstoječa dognanja upoštevajo vpliv interference enako kot šume ozadja. S simulacijami pa smo pokazali, da je bolje, če vpliv interference na količino bitnih napak, obravnavamo ločeno. Na podlagi meritev in simulacij smo izdelali empirični model, ki smo ga nato uporabili drugem delu raziskav. V drugem delu raziskav smo raziskali učinke skritih vozlišcč na interference paketov ob uporabi standardnih CSMA/CA mehanizmih dostopa mediju, ki se uporabljajo v omrežjih tipa IEEE 802.15.4/ZigBee. Rezultati simulacij kažejo, v primeru prisotnosti skritih vozliš č, hudo poslabšanje energetske učinkovitosti ter zmogljivosti omrežja iz stališča prepustnosti in zakasnitev paketov. Na koncu smo raziskovali učinkovitost ideje, da bi uporabili znane RTS/CTS mehanizme rokovanja tudi v BSO. Rezultati simulacij kažejo,da predlagani mehanizem pomaga popolnoma prepreči trčenja zaradi skritih vozlišč. Prav tako se je izkazalo, da v pogojih, kjer so prisotna skrita vozlišča pride do izboljšanja zmogljivosti omrežja, še posebej v pogojih velikega prometa. Zaznali pa smo tudi nekaj pomanjkljivosti. Glavna pomanjkljivost tega mehanizma je v velikem povečanju zakasnitev v pogojih povečanega prometa, kar omejuje njegovo uporabnost. To nam predstavlja tudi motivacijo za nadalje delo, ker bomo raziskovali nove mehanizme dostopa do prenosnega medija, ki bodo imeli boljše lastnosti v pogojih delovanja v omrežjih skritimi vozlišči.
Ključne besede: Skrito vozlišče, Brezžično senzorsko omrežje, IEEE 802.15.4, ZigBee, MAC, RTS/CTS
Objavljeno v DKUM: 10.05.2010; Ogledov: 3042; Prenosov: 306
Celotno besedilo (4,29 MB)